是不是所有函数都可以求导?要想弄清楚这个问题,就得先弄清楚一个函数在某一点的导数是什么。求一个函数在一点处切线的斜率是导数问题的思想来源之一,如下图所示即,已知函数f#28x#29,并告诉你函数图像上的一点P
是不是所有函数都可以求导?
要想弄清楚这个问题,就得先弄清楚一个函数在某一点的导数是什么。求一个函数在一点处切线的斜率是导数问题的思想来源之一,如下图所示即,已知函数f#28x#29,并告诉你函数图像上的《读:de》一点P,过P点做该曲线的切{qiè}线,问如何求该切线的斜率(练:lǜ)?
我们知道对于一条直线而言,它的斜率定义就是在直线上任取两个点#28x₁,y₁#29,#28x₂,y₂#29,那么斜率就(练:jiù)是#28y₂-y₁#29/#28x₂-x₁#29,但是求曲线的切线斜率则遭【练:zāo】遇到了困难,因为我们只知道一个点P的坐《拼音:zuò》标,而不知道第2个点,因此我们需要采用全新的手段。
我们[繁:們]采用用割线来逼近切线的方法,即,在点P附近的函数图像上取另外直播吧一个点Q,连接PQ两点得到一条直线,这条直线就是函数的一条割线,而现在我们有了两个点,因而割线的斜率是可以求出来的。在点P附近可以找到无数个Q点,因此可以做出无数条割线来,我们让Q向P点的方向移动,那么这条割线也就随之移动,当Q无限接近于P时,割线也就无限接近于切线,如下图所示
因此割线的斜率的极限就是切线的斜率,我们再来明确一下这个计算公式,先在函数图像上把我们需(练:xū)要的《读:de》信息{读:xī}标出来
P点的坐标是#28a,f#28a#29#29,Q点的坐标是#28x,f#28x#29#29,因此割线PQ的斜率就是f#28x#29-f#28a#29除chú 以x-a,再让x无限趋近于a,于是就得到了切线的{pinyin:de}斜率,我们把这个数值称为f#28x#29在这一点的导数,记为f#30"#28a#29,即
同样上面的【拼音:de】过程,我们还可以换一套符号系统,如下图
我们把P和Q两点横坐标的差值记为h,于是按照同样的方法,我们又可以得澳门巴黎人到(读:dào)另外一个式子
上澳门新葡京面两个式子的实质是一样的,称(繁:稱)为函数f#28x#29在x=a处导数的第一定义和第二定义。
由上面的定义可以看出,函数在一点的导数值,实际上就相当于是一个极限值,而我们学极限的时候也已经学过,极限的结果有三种情况:某个常数、正负无穷、不存在。而一条直线的斜率又不能是正负无穷,因此{pinyin:cǐ}当这个极限值算出来[繁体:來]是正负无穷或不存在时,我们也说这一点的导数不存在,即函数在这一点不可导。
我们所能想象出来的函数绝大《读:dà》部分都(练:dōu)是可导的,那么不可导的会有什么样[繁体:樣]的情况呢?
首先最明显的一个例子,如果函(拼音:hán)数在某一点是[pinyin:shì]间断的,那么一定是不可导的《读:de》,证明如下:
我们在学函数的连续性的时候,已经学[繁体:學]世界杯过,函数在一点a处是连续的意思就是满足下面这个三联等式:
于是如果函数在一点是断开《繁:開》的,那么至少有一个等于号不成立,我们不妨设
于(繁:於)是代入到导数计算式中求右极限的式子
可以看出当x无限趋近于a的右侧的《练:de》时(繁:時)候,分母不等于0,而分子等于0。于是他的极限只能是无穷,因而函数在这一点不《读:bù》可导。
其实我们直观的想象一下也可以明白其中的原因,函数如果《读:guǒ》在一点[繁:點]是断开的,那么就无法做切线了,因而肯定是没有导数的。
上面这个结论也【拼音:yě】是高中时我(练:wǒ)们常说的,可导必连续的由来,因为这句话的逆否命题就是不连续一定不可导,二者同真同假。因此又留下一个疑问,如果是连续的,那么是不是一定可导了呢?显然也不是的,我们[繁体:們]有如下几个例子。
例1
我们可以带入到导数的定义式中计算这个算式的左右极限不一样,因而该点的极限不存在,进而导数也就不存在。这个函数的图像如下图所示
从图中我们也可以看到,零点处是一个带尖儿的点,如果想在(练:zài)零这一点做切《练:qiè》线的话,从左边做和从(繁:從)右边做做出来是两条不同的直线,因此该点处没有一条统一的切线,所以也就没有导数了。这种不可导数点,我们称之为尖点。
例2
同样代入到导数的表达式中,我们有从左右两边来看极限都是无穷,因此这一点《繁体:點》也是不【pinyin:bù】可导的。它的函数图像如下图所示
可以看出来,如果过零点做一条切{拼音:qiè}线的话,是一条竖直线,而竖直线是没有斜率的,因此也就没有导数。这种点我们称之为竖直切线点[繁:點]。
上【练:shàng】面(繁体:麪)两个例子是我们可以想象出来的,还《繁:還》有一类例子我们非常难以想象,只能靠计算了。
例3
代入到导数的计算公式中可以得到而这个函数当x趋近于0时是无穷震荡的,因【拼音:yīn】为极限也不存在
,进而不可导,它的图像xiàng 如下图所示:
越接近于【练:澳门银河yú】零点时震荡得就越剧烈。
其实在历史上,人们对连续性与【练:yǔ】可导性的认识经历了相当漫长的过程。一开始当微积(繁:積)分的发明人牛顿提出导数这个概念时,因为当时人们对函数的认识还不是很清晰,认为函数无非就是一条连续的曲线,那么过任何一点都是可以做切线的,于是当时(繁体:時)人们就认为函数在任何一点都是可导的。
但是后来随着人们研究的深入,发现了诸如尖点这样的不可导点,但是依然受限于人们的认识水平,他们认为一条连续的曲线除了个别尖点之外(拼音:wài),剩下的应该是处处可导的。函数在某个区间上可导则称函数这个区间上是光滑的,也就是说当时人们以为对于任何一[pinyin:yī]个函数,它除了少数见点之外,剩下的大部分应该都是光滑的。这其实也很符合我们现在的认知。
但是在1860年,德国数学家魏尔斯特拉斯(pinyin:sī)却发现了这样一个函数
经过复杂的证明,可以知道这个函数是处处连续的,但是却处处不可导。这个发现震惊了当时数学界,彻底颠覆了人们对导数的认识:原来还存在这样一类函数,它是一条连续的曲线,但是所有点的导数不存在。这一发(繁:發)现又开辟了一个新的研究领域,即处(拼音:chù)处连续但无处可导的函数,从而也大大加深了人《读:rén》们对函数的认识,在一定程度上为分型理论的提出奠定了基础。
威(练:wēi)尔斯特拉斯#28Weierstrass, 1815-1897#29
处处连(繁体:連)续但处处不可导的函数的例子
参(繁体:蔘)考文献
[1]. Calculus, early transcendentals, 7ed,James Stewwart,BROOKS/COLE.
[2]. 无处可微wēi 的连续函数,刘文,辽宁教育出版社.
本文链接:http://21taiyang.com/Open-SourceComputers/5824853.html
高中数学常用函数图像导数(繁:數) 是不是所有函数都可以求导?转载请注明出处来源